فريق بحثي مشترك من جامعات أمريكية وكورية يطوّر تقنية جديدة لإنتاج الهيدروجين مباشرة من البلاستيك المختلط بنقاء يتجاوز 90%

أخبار ar.wedoany.com، تنتشر المنتجات البلاستيكية في كل زاوية من الحياة اليومية، إلا أنها بعد التخلص منها تُعد من بين أصعب فئات المواد القابلة لإعادة التدوير على وجه الأرض. تتطلب طرق إعادة التدوير التقليدية فرز البلاستيك حسب نوعه أولاً، وهي خطوة كثيفة العمالة ومرتفعة التكلفة. فمن إجمالي النفايات البلاستيكية عالمياً، لا يدخل سوى 9% منها في دورة إعادة التدوير، بينما يُطمر 79% في المدافن، ويُحرق الـ 12% المتبقية مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون.

استعرض فريق بحثي مشترك يضم باحثين من كلية Samueli للهندسة بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA Samueli School of Engineering) وجامعة إيهوا للمرأة (Ewha Womans University) في كوريا الجنوبية، طريقة كيميائية لتحويل خليط من ثلاثة أنواع بلاستيكية شائعة مباشرة إلى هيدروجين عالي النقاء. وتعمل هذه الطريقة عند درجات حرارة أقل بشكل ملحوظ من درجات حرارة التغويز التقليدي، وتحتجز ثاني أكسيد الكربون في صورة معادن صلبة دون إطلاق غازات دفيئة في الغلاف الجوي.

نُشرت النتائج في دورية Proceedings of the National Academy of Sciences. وتعتمد التقنية المستخدمة على المعالجة الحرارية القلوية (alkaline thermal treatment، ATT)، التي تستخدم هيدروكسيد الصوديوم للتفاعل مع المواد العضوية تحت الحرارة لإنتاج الهيدروجين، ويمكنها معالجة نفايات مختلطة من بولي إيثيلين تيريفثالات (PET) وبولي إيثيلين (PE) وبولي بروبيلين (PP) في مفاعل واحد، دون الحاجة إلى فرز مسبق، لإنتاج هيدروجين بنقاء يتجاوز 90%.

صرّحت أستاذة الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية ورئيسة كلية Samueli للهندسة بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، الحاصلة على كرسي Ronald and Valerie Sugar، والمؤلفة المشاركة للمراسلة في الورقة البحثية، Ah-Hyung "Alissa" Park، أن النفايات البلاستيكية تتراكم بمعدل مذهل، وأن الهيدروجين النظيف ضروري لإزالة الكربون من قطاع الطاقة، وأن هذه التقنية تعالج التحديين معاً بطريقة إبداعية وقابلة للتوسع.

تُشتق المعالجة الحرارية القلوية من طريقة سابقة لتوليد الهيدروجين من الكتلة الحيوية، بما في ذلك الأعشاب البحرية، طورها كل من Park والأستاذ المشارك للمراسلة في الورقة البحثية، أستاذ الهندسة الكيميائية وعلوم المواد بجامعة إيهوا للمرأة، Woo-Jae Kim. وفي التجارب المخبرية، استخدم الفريق نسخة محسّنة من المعالجة الحرارية القلوية لتحويل PET وPE وPP إلى هيدروجين عالي النقاء، عند درجات حرارة تشغيل أقل بمقدار 300 إلى 400 درجة مئوية مقارنة بالتغويز بالبخار التقليدي، مع زيادة ملحوظة في كمية الهيدروجين المستخرجة من PET.

يتكون البولي إيثيلين والبولي بروبيلين بالكامل من روابط كربون-هيدروجين، وهما خاملان كيميائياً في الظروف القلوية، ولا ينتجان هيدروجين بكفاءة عند تفاعلهما منفردين. ولتنشيط هذين النوعين من البلاستيك، طوّر الباحثون معالجة أولية بالأكسدة الحرارية: حيث يتم تعريض البلاستيك لفترة وجيزة لحرارة معتدلة في الهواء قبل التفاعل الرئيسي، مما يُدخل مجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين في سلاسل البوليمر، ويُحدث مواقع تفاعل يمكن للمعالجة القلوية أن تعمل عليها.

بعد التنشيط، تتحلل الأنواع البلاستيكية الثلاثة بكفاءة عالية. ويتم التقاط الكربون المنطلق من التفاعل بواسطة كاشف هيدروكسيد الصوديوم وتحويله إلى كربونات صوديوم صلبة، بدلاً من انبعاثه في صورة ثاني أكسيد الكربون. وأظهر التحليل بعد التفاعل أن أكثر من 75% من الكربون الموجود في البلاستيك الأصلي يبقى في صورة كربونات مستقرة أو بقايا عضوية سائلة، بينما لا تتجاوز نسبة المنتجات الغازية 13%، ويكون الكربون المنبعث مباشرة إلى الغلاف الجوي ضئيلاً ويمكن إهماله. ويمكن تحويل كربونات الصوديوم إلى كربونات الكالسيوم عبر عملية استرداد بسيطة، مما يثبّت الكربون في معادن تُستخدم على نطاق واسع في الصناعات التقليدية كثيفة الكربون.

أما الطرق السابقة منخفضة الحرارة لتحويل النفايات البلاستيكية إلى هيدروجين، بما في ذلك إعادة التشكيل الضوئي بالطاقة الشمسية والتحويل الكهروكيميائي، فكانت تقتصر على البلاستيك المحتوي على الأكسجين مثل PET، ولم تكن قادرة على معالجة البولي إيثيلين والبولي بروبيلين اللذين يشكلان الحصة الأكبر من مجاري النفايات. وبينما يمكن للتغويز عالي الحرارة معالجة البلاستيك المختلط غير المصنف، فإنه يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. وهذه هي المرة الأولى التي تعالج فيها طريقة من ابتكار الفريق نفسه هذه القيود الثلاثة في وقت واحد.

وأشار Kim إلى أن تكاليف الفرز والتعقيد الإجرائي شكّلا لفترة طويلة العقبات الرئيسية أمام التسويق التجاري، وأن هذه التقنية تخفض هاتين العقبتين، ولديها القدرة على أن تصبح تقنية أساسية من الجيل التالي تدعم اقتصاد الهيدروجين والاقتصاد الدائري.

وأشار الفريق البحثي إلى أن هذه العملية لا تزال بحاجة إلى مزيد من التحسين قبل نشرها على نطاق واسع، وتقييم جدواها الاقتصادية.

حظي هذا البحث بدعم من المؤسسة الوطنية الكورية للبحث (National Research Foundation of Korea). ويضم المؤلفون الآخرون كلاً من Jieun Park وHyerin Seo وJiwon Lee من جامعة إيهوا للمرأة، وHyunah Kim من جامعة كوريا للطيران (Korea Aerospace University)، وHyung-Kyu Lim من جامعة كانغوون الوطنية (Kangwon National University)، وWonho Jung من جامعة سوغانغ (Sogang University).